martes, 18 de mayo del 2021 Fecha
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La Física de Partículas al Servicio de la Salud

Autor por Emilio Silvera    ~    Archivo Clasificado en El CERN    ~    Comentarios Comments (4)

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Transferencias tecnológicas del CERN a la Biomedicina. Hay una parte de las actividades en el CERN en la que también interviene el LHC que, es poco conocida por el pueblo llano. Allí, no solo se trata de hacer colisionar haces de partículas para llegar a lo más profundo de los componentes de la materia, sino que, además, se realizan múltiples actividades tecnológicas encaminadas a mejorar la vida de las personas.

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                        Se utilizan modernas técnicas halladas en el LHC

En realidad, en el CERN, se trabaja en algo más que en las partículas subatómicas y se buscan nuevas respuestas y remedios para paliar el dolor en el mundo. También, se ha contribuido de manera notable a las comunicaciones y, el mundo es tal como lo conocemos hoy gracias a Ingenios como el LHC que, por desconocimiento de muchos, en su momento, fue tan denostado.

                                                                                                           

                                                               Partículas y más

Seguramente la mayoría de los lectores de la Revista Española de Física han oído más de una vez hablar del CERN. Fundado en 1954, constituye el mayor laboratorio de física de partículas del mundo, con veinte países miembros y un de unas 3.000 personas entre físicos, ingenieros y personal técnico y administrativo de todo tipo.

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Seguramente están también al tanto de los grandes experimentos que se están preparando en este centro como el Large Hadron Collider (LHC), situado en un túnel circular de 27 km de longitud, destinado a elucidar el origen de la llamada ruptura de la simetría electrodébil y en última instancia el origen de las masas de las partículas elementales (no de la masa del protón o del neutrón como erróneamente se dice a veces en los medios de comunicación), o del proyecto CERN Neutrino Gran Sasso (CNGS), que consiste en enviar un haz de neutrinos de alta energía desde el CERN al laboratorio subterráneo italiano del Gran Sasso que se encuentra a 730 km, para estudiar las oscilaciones de estas huidizas partículas.

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También es muy probable que muchos lectores asocien de manera natural la palabra acelerador de partículas  a los instrumentos que utilizan los físicos modernos para estudiar y comprender mejor la estructura y el comportamiento de la materia a pequeñas escalas. Sin embargo, de los 17.000 aceleradores de partículas que se estima existen en la actualidad en todo el mundo, aproximadamente la mitad de ellos se usan en y sólo una parte muy pequeña se usan para investigación fundamental.

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Por este y otros motivos que se discutirán más adelante, en este número especial de la Revista Española de Física dedicado a la física y las ciencias de la vida, ha parecido conveniente incluir un artículo en el que, al menos brevemente, se describieran algunas de las transferencias tecnológicas (spinoffs) importantes que la actividad del CERN aporta a dichas ciencias.

         de lo que aquí se descubre, se aplica a nuestra Salud

Es bastante razonable que, como ocurre con las ciencias del espacio, mucha gente se pregunte cuál es la utilidad social de la física de partículas más allá  de la adquisición de conocimientos fundamentales de la naturaleza. Sin embargo, es preciso señalar que los aceleradores y detectores de partículas del CERN y otros laboratorios similares requieren el uso, y muchas veces el desarrollo, de tecnologías de punta que obligan a una estrecha colaboración con la industria  que redunda en beneficio de ambas partes.

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Las transferencias tecnológicas que se producen en este proceso se incorporan inmediatamente a nuestra vida diaria en áreas tales como la electrónica, procesamiento industrial y médico de , manejo y usos de la radiación , metrología, nuevos materiales, tecnologías de la computación y la información, tratamiento del cáncer, etc. En este artículo se pondrá el énfasis en aquellas actividades del CERN que han redundado de una forma más clara en beneficio de las ciencias biomédicas.

                                                                  PET/TC o allá de los rayos X

En el ámbito de la medicina los aceleradores de partículas se utilizan con dos finalidades; una para la formación de con propósitos diagnósticos y otra, para terapia, principalmente oncológica. Desde el descubrimiento de los rayos X por Röntgen en 1895, este tipo de radiación electromagnética ha proporcionado una información de valor incalculable y aún sigue proporcionándola. Sin embargo, mucho más recientemente, se han desarrollado otras técnicas complementarias de diagnóstico basadas en los llamados radiofármacos.

La Medicina Nuclear analiza las ventajas de los radiofármacos – MedsBlaradiofármacos - Lic. Alejandra Patricia Cork

Estas sustancias radiactivas presentan idealmente la propiedad de poder ser inyectadas en el organismo humano de forma segura y de fijarse a determinados tejidos. Posteriormente, a medida que van desintegrándose, emiten ciertas partículas que pueden ser detectadas y analizadas produciendo de esta forma imágenes estáticas o incluso dinámicas de los órganos en los que se depositaron los radiofármacos y, en definitiva, proporcionando información no solamente sobre la morfología de aquellos, sino también, en muchos casos, sobre su función y metabolismo.

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Los radiofármacos se producen utilizando haces de protones de alta intensidad y, como tienen una vida media muy baja, deben utilizarse cerca de donde se han creado. Se calcula que unos 20 millones de personas son diagnosticadas cada año mediante el uso de este tipo de sustancias.

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Tratar con células madre la artrosis es eficaz y poco invasivo»Cáncer de mama - Wikipedia, la enciclopedia libre

                    Son técnicas no invasivas que dejan al descubierto lo que interesa ver y eliminar.

Una de las técnicas de este tipo más utilizada en la actualidad es la Positrón Emissión Tomography (PET). En su se utiliza normalmente un ciclotrón para irradiar alguna sustancia que se convierte en radiactiva por desintegración beta positiva (emisora de positrones). Esta sustancia se une por ejemplo a la glucosa y se inyecta al paciente.

Positron Emission Tomography (PET) Scan - Procedures, Types, RisksPositron emission tomography (PET) — Science Learning HubPositron Emission Tomography (PET) – Shining a light on human disease –  Drug Discovery World (DDW)

Los positrones producidos se aniquilan con los electrones circundantes dando lugar a dos fotones de energía muy bien definida, emitidos en direcciones opuestas. Estos fotones interaccionan con un material escintilador dando lugar a la emisión de otros fotones que pueden ser detectados por fotomultiplicadores o fotodiodos para formar la de los tejidos que se pretenden estudiar en función de la distribución de la glucosa radiactiva.

Observar y destruir células cancerosas | OIEATratamiento del cáncer de pulmón de células pequeñas (PDQ®)–Versión para  pacientes - Instituto Nacional del Cáncer

Análisis de células cancerosas | Thermo Fisher Scientific - MXCáncer - Wikipedia, la enciclopedia libre

Por ejemplo, en el caso del diagnóstico del cáncer las células cancerosas suelen consumir más glucosa que las células sanas debido a su mayor vascularización y a su mayor actividad metabólica y reproductiva, produciendo por tanto una mayor emisión de fotones. Por el contrario, las zonas donde el tejido presente mayor número de células muertas brillarán menos debido a la menor concentración de glucosa radioactiva, lo cual puede ser muy útil para el diagnóstico de infartos y otras lesiones.

Crean nanopartícula que destruiría células cancerosas sin medicina

                                                                     Tecnologias que llegan más allá

De con David Townsend, uno de los pioneros en el desarrollo de la tecnología PET, aunque ésta no fue inventada en el CERN, una cantidad esencial e inicial de trabajo desarrollado en el CERN  a partir de 1977 contribuyó de forma significativa al desarrollo del PET 3D. La tecnología PET alcanza su grado más alto de utilidad diagnóstica cuando se combina con la Computed Tomography (CT).

Computed Tomography (CT)Computed Tomography (CT) , Baltimore, MD - State-of-the-Art Imaging  TechnologyComputed Tomography (CT) Scans and Cancer (Fact Sheet) - Oncology Nurse  AdvisorCT Scan (Computed Tomography) – What All Should You Know? - Omega PDS

La CT es un método de formación de imágenes tridimensionales a partir del procesamiento digital de un gran número de imágenes bidimensionales de rayos X. Inicialmente, las diferentes se obtenían alrededor de un solo eje de rotación y de ahí su nombre original de Computed Axial Tomography (CAT).

PET/TC (tomografía por emisión de positrones – tomografía computada)Tomografía por emisión de positrones (PET) - Temas especiales - Manual MSD  versión para público generalPET/TC - Cancer Care of Western New York

Sería útil un PET-TC en este paciente? Lo que todo radiólogo debería saberCáncer de próstata: concordancia entre PET 18F-colina y TC en recaída  bioquímica - ScienceDirect

La técnica combinada PET/CT es uno de los desarrollos más excitantes de la medicina nuclear y la radiología modernas. Las reconstrucciones de CT permiten el diagnóstico precoz de tumores basándose en sus características morfológicas, mientras que la tecnología PET es capaz de diferenciar con grane eficiencia los tejidos malignos de los benignos. La fusión PET/CT permite ahora integrar las imágenes morfológica y fisiológica en una única imagen. El prototipo del scanner ART, el Partial Ring Tomograph (PRT), fue desarrollado en el CERN en 1980 y 1990 por David Townsend, Martín Wensveen y Henri Tochon-Danguy, y evaluado clínicamente en el departamento de medicina nuclear del Hospital Cantonal de Ginebra. ART puede considerarse como el precursor de la parte PET del moderno scanner PET/CT, que ha producido un impacto extraordinario en la tecnología de imágenes con fines médicos. Además, el CERN continua hoy en día contribuyendo a este campo fundamental de la medicina moderna mediante proyectos como Clear PET, Clear PEM, HPD PET etc.

La física en la vida cotidiana : Blog de Emilio Silvera V.Georges Charpak, Premio Nobel por inventar y desarrollar los detectores de  partículas | Rincón Educativo

Física… ¡Y mucho más! : Blog de Emilio Silvera V.

Sin embargo, la importancia del CERN en el desarrollo de las tecnologías PET o CT, y en general de todo tipo de scanner, va más allá. En efecto, todo este tipo de dispositivos se basa, de una forma u otra, en los detectores desarrollados a finales de los  sesenta en el CERN por George Charpak. Su trabajo fue reconocido en 1992 con la concesión del Premio Nobel de Física por su invención y desarrollo de detectores de partículas, en particular de la cámara proporcional multihilos, que produjo una revolución en la técnica de exploración de las partes más íntimas de la materia. Los detectores desarrollados por Charpak se usan aún para todo tipo de investigaciones médicas y biológicas y podrían eventualmente sustituir completamente a las placas fotográficas en la radio-biología aplicada. La velocidad creciente con la que permiten las imágenes en radio medicina conducen a una menor tiempo de exposición y a menores dosis de radiación indeseada recibida por los pacientes.

Hadronterapia: ¿La radioterapia del futuro?Un nuevo sistema de la UV permite monitorizar la terapia con partículas  contra el cáncer - Valencia PlazaHADRONTERAPIA

Hadronterapia, o las partículas contra el cáncer

Como es bien sabido, una de las herramientas terapéuticas esenciales en el de la oncología es la radioterapia. Dicho tratamiento se aplica hoy en día aproximadamente a la mitad de los pacientes de cáncer. En cierto modo se puede considerar como una forma sutil de cirugía donde el bisturí es reemplazado por un haz colimado de partículas capaz de esterilizar las células malignas mediante la inactivación de su ADN, impidiendo así su reproducción. Tradicionalmente, la radioterapia se ha basado en el uso de rayos X (fotones), electrones y, más recientemente, hadrones, es decir, partículas capaces de interaccionar fuerte o nuclearmente, si bien no es ésta la propiedad más interesante de estas partículas para las radioterapeúticas.

Acelerador de partículas - Wikipedia, la enciclopedia libreINSTRUMENTACION Y EQUIPAMIENTO EN MEDICINA NUCLEAR Y RADIOTERAPIA: ACELERADORES  LINEALES

Los haces de rayos X y los electrones se obtienen normalmente a partir de aceleradores lineales como los del CERN, aunque mucho más pequeños, y se apuntan hacia los tumores con la energía, dirección y colimación apropiadas para optimizar su efecto destructivo sobre los mismos. Por su parte, los neutrones pierden energía en el interior del organismo de una forma diferente, lo cual les hace más indicados para el tratamiento de ciertos tipos especiales de tumores. Se obtienen a partir de las colisiones de protones, previamente acelerados en un ciclotrón, con núcleos de berilio. Este hecho hace que esta terapia sea bastante más cara que las anteriores, pero a cambio el ciclotrón puede ser usado también para la producción de radiofármacos.

                                     Científicos del CERN aplican antimateria contra el Cáncer

El estudio de las posibilidades de utilización de haces de hadrones en la terapia del cáncer tuvo su origen en el trabajo seminal de R.R Wilson titulado Radiological Use of Fast Protons (Radiology 47, 1946). En dicho artículo se ponía de manifiesto que los protones, así como partículas cargadas pesadas, presentan la propiedad única de que al penetrar en el cuerpo humano depositan la mayor parte de su energía a una profundidad que depende de su energía inicial.

The Use of High-Energy Protons in Cancer Therapy - ppt downloadR. R. Wilson, " Radiological Use of Fast Protons" (Radiology 1946:47:487-91)  - PDF Free Download

Este hecho permite seleccionar cuidadosamente el área que se quiere irradiar, preservando de dicha radiación al tejido sano que pudiera encontrarse a menor profundidad. Además, como las partículas se detienen a una distancia de la superficie bien definida por la energía del haz, tampoco resultarían dañadas las células situadas detrás del blanco seleccionado.

Since Hall... - Foto de la oficina de Lawrence Berkeley Lab |  Glassdoor.com.arPublic Tour at Lawrence Berkeley National Laboratory –  bayareasciencefestival.org

En contraste, la energía depositada por los rayos X alcanza su máximo cerca de la superficie de entrada y decae exponencialmente hasta que abandona el cuerpo humano en el lado opuesto, haciendo por tanto muy difícil seleccionar la zona que quiere irradiarse sin dañar otras áreas de células sanas. El trabajo de Wilson de 1946 condujo a toda una nueva línea de investigación experimental, principalmente en el Lawrence Berkeley Laboratory, que ha dado lugar al desarrollo de una nueva de terapias antitumorales basadas en la irradiación con protones y más recientemente con iones de carbono. Estas técnicas han sido aplicadas en más de 40 centros de todo el mundo, y de ellas se han beneficiado hasta la más de 50.000 pacientes. No obstante, continúan investigándose nuevas formas de intentar mejorar el ratio entre la energía depositada en las células tumorales y en el tejido sano.

PDF) Nuclear physics applications in diagnostics and cancer therapyProtons herald new cardiac treatment – CERN Courier

En la , el CERN se encuentra involucrado en diversos proyectos relacionados con la hadronterapia. Por ejemplo, en el diseño de un acelerador de protones e iones de carbono dedicado a usos médicos conocido como el Proton Ion Medical Machine Study (PIMMS). Otro proyecto interesante es la realización de las pruebas del Linear Booster ( LIBO), capaz de acelerar una haz de protones hasta 200 Mev (los hospitales habiualmente utilizan energías en torno a los 65 estaría especializado en el tartamiento de tumores profundos.

Antiprotons four times more effective than protons for cell irradiation |  CERNThe ACE experiment - CERN Document Server

Finalmente, y situándonos en un plano de investigación a un nivel más básico, es interesante señalar que en octubre de 2006 se presentaron los primeros resultados de un experimento llevado a cabo en el CERN con potencial para futuras en la terapia del cáncer. Se trataba del Antiproton Cell Experiment (ACE), que constituye la primera investigación realizada hasta la fecha sobre efectos biológicos de los antiprotones. Los antiprotones se comportan como los protones cuando entran en el organismo, pero generan mucha más energía en el blanco seleccionado debido a du aniquilación con los protones existentes en los núcleos de los átomos de las células, y además depositan esta energía de una forma biológicamente más efectiva.

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Evaluando la fracción de células supervivientes después de la irradiación con el haz de antiprotones, el experimento ACE ha encontrado que a eficiencia de éstos es unas cuatro veces mayor que la de los protones, mientras que el daño producido a las células situadas antes del blanco era básicamente el mismo. De con Michael Holzscheiter, portavoz del experimento ACE, este hecho podría ser extremadamente importante para el tratamiento de casos de cáncer recurrente, donde este tipo de propiedad es vital. La tecnología desarrollada previamente en el CERN para la obtención de haces de antiprotones de buena calidad a la energía apropiada es esencial para este prometedor experimento, que difícilmente podría haberse realizado en ningún otro laboratorio. Éste es por tanto un magnífico ejemplo de cómo la investigación en física de partículas desarrollada en el CERN puede generar soluciones innovadores con excelentes beneficios médicos potenciales.

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Resección de tumor intramedular guiada por fluorescencia con ácido  aminolevulínicoTUMOR CARCINOIDE GASTROINTESTINAL: DIAGNÓSTICO, ESTADIFICACIÓN, TRATAMIENTO  Y MONITORIZACIÓN GRACIAS A LA IMAGEN ANATÓMICA Y

Los investigadores de ACE, en colaboración con otras instituciones de todo el mundo, están realizando en la actualidad nuevos tests para comprobar la eficacia de este método en el caso de tumores situados a mayor profundidad, y comparando sus resultados con los de otros métodos más convencionales como la irradiación mediante iones de carbono. Si todo sale como se espera, los beneficios clínicos de esta nueva técnica podrían a producirse dentro de la próxima década.

PPT - Nuclear Reactions and the Transmutation of Elements PowerPoint  Presentation - ID:2916086

Otro ejemplo importante de tecnología creada en el CERN con a la terapia del cáncer es el Neutron Driven Element Trasmuter. Se trata de un sistema de producción de radioisótopos específicos específicos a partir de un acelerador de protones cuyo desarrollo fue liderado por Carlo Rubbia, Premio Nobel de Física en 1984 por el descubrimiento de los bosones W y Z y ex director general del CERN. La idea es utilizar el haz de protones para producir neutrones los cuales provocan reacciones en un ambiente apropiado donde ciertos elementos son convertidos en los isótopos deseados.

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